第二章实验设计

实验设计

（designofexperiment，DOE）

实验性研究是指研究者根据研究目的人为地对实验单位设置干预措施，按照对照、重复、随机化的基本原则控制非干预措施的影响，通过对实验结果的分析，评价干预措施的效果。

良好的实验设计是顺利进行科学研究的和数据统计分析的先决条件，也是获得预期结果的重要保证。实验研究不同于调查研究，第一，在实验研究中的处理因素是人为施加的干预；第二，实验研究中受试对象接受何种处理是随机分配的。

第一节

实验设计的基本要素

实验设计的基本要素包括：处理因素、受试对象（实验单位）和实验效应。实验性研究的目的就是阐明某种或某些处理因素对受试对象产生的效应。实验设计的关键：如何选择三个基本要素。

受试对象是处理因素作用的客体，是接受处理因素的基本单位，也称实验对象。根据研究目的不同，实验单位可以是人、动物和植物，也可以是某个组织、器官、细胞、亚细胞或血清等生物材料。一、受试对象subject（实验单位experimentUnit）根据实验单位的不同，实验分为：动物实验：动物临床实验：病人现场实验：自然人群医学科研中受试对象的要求：（1）对处理因素敏感（2）反映稳定如观察某药物对高血压的疗效，高血压临床分为3期，其中，I期患者血压波动较大，III期高血压患者对药物不够敏感，II期患者对药物敏感，且血压波动范围小，较稳定。因此宜选II期高血压患者作为受试对象。

（3）受试对象在选择上应有统一的标准。如动物要种系、品系、窝别、性别、体重、年龄和营养状况等尽量一致；临床试验选择时应诊断明确、依从性好，还应注意病人的病情、病程、性别、年龄、生活条件、生活环境等。现场试验受试对象应考虑其性别、年龄、民族、职业、文化程度、经济条件等方面。因为这些条件可能会影响试验结果，必须控制一致

根据研究目的确定的欲施加或欲观察的、并能引起受试对象直接或间接效应的因素。

处理因素包括物理因素、化学因素和生物因素。根据因素的多少，实验分为单因素实验和多因素实验。二、处理因素主动施加（脂健乳）客观存在（母乳喂养与人工喂养）处理因素（2）单因素多水平（某药降血糖作用）A药1mg2.5mg3mg1.53.34.21.35.45.62.53.66.4①明确处理因素和非处理因素处理因素一般是根据研究目的确定的主要因素，是人为施加的干预。在一次实验中处理因素不宜太多，否则会使分组及所需样本容量增多，实验难于控制。在实验研究中还有一些其他的会影响实验结果的因素（非处理因素-与处理因素相对应并同时存在，也能使受试对象产生效应的因素，又称混杂因素。），对于这些因素要能够正确区分，并要严格控制非处理因素，否则会影响实验结果。对象降压药血压下降低盐饮食血压下降例1例2研究综合防治高血压病的效果，处理因素为药物治疗加体育锻炼及单纯药物治疗。合理调配饮食结构和其他的辅助治疗措施也能缓解症状，有助于康复，但这并不是本次研究的处理因素。研究者应采取各种措施，尽可能使某些非处理因素在所比较的各组中基本相同，以便充分显示处理因素的作用。②处理因素应标准化。所谓处理因素必须标准化是指在整个实验中作用的受试对象上的处理因素要保持不变，始终如一。保证结果的准确性和稳定性例在实验过程中实验药物的批号、剂量应当一致，手术和操作的熟练程度也都应从始到终保持恒定。

实验效应是处理因素作用在受试对象上所产生的反应，是研究结果的最终体现，是实验研究的核心内容。实验效应主要通过观察指标(变量)显示出来。为使实验效应真实地、充分地显示出来，在选择观察指标时应选择客观性强、灵敏性和特异性高、精确性高的指标。三、实验效应1。客观性：指标包括主观指标和客观指标，主观指标是受试对象的主观感觉、记忆、陈述或实验者的主观判断结果；客观指标是借助测量仪器和检验手段获得的观测结果。一般主观指标易受研究者和受试对象心理因素的影响，具有随意性和偶然性，而客观指标具有较好的真实性和可靠性。选用客观性较强的指标最好选用易于量化，即经过仪器测量和检验而获得的指标。随着现代医学的发展，主观指标收到重视和应用-生存质量2。精确性：精确性包括准确度和精密度两层含义。准确度指观测值与真实值的接近程度，主要受系统误差的影响；精密度指重复观察时，观测值与其均数的接近程度，其差值属于随机误差。选择时首先要保证有较高的准确度，然后要求有一定的精密度。3。特异性和灵敏性：特异性是指该指标鉴别出真阴性的能力，特异度高的指标能较好的揭示处理因素的作用，不易受混杂因素的干扰，可以减少假阳性率；灵敏性是指该指标检测出真阳性的能力，灵敏度高的指标对外界的反应灵敏，能将处理因素的效应更好的显示出来，减少假阴性率。选择指标时应选择特异性和灵敏性均较高的。

实验效应的观察如果带有偏性，会影响结果的比较和分析，所以为消除或最大限度的减少这种偏性，常在设计时采用盲法设计。单盲：受试对象双盲：受试对象和实验执行者三盲：受试对象、实验执行者和统计分析人员（4）指标观察时采用盲法第二节

实验设计的基本原则实验设计的主要作用是减小误差，提高效率。因此在设计时必须遵循对照（control）、随机化(randomization)和重复(replication)的原则。一、对照原则

所谓对照原则就是要设立对照组。设立对照组的目的就是要消除非处理因素对实验结果的影响，从而使实验效应充分显示出来。在设立对照时，应满足均衡性，即除了处理因素外的所有可能的影响实验效应的非处理因素都保持与实验组一致。所以在设立对照后应对各组的基线情况进行比较，检验各组开始时的状态是否均衡。整个实验过程中对照组和实验组应始终处于同时同地，即设立同期对照，尽量不要设历史对照或用其他研究的资料作为对照。1。安慰剂对照：安慰剂是一种无药理作用的“假药”，其外观上与试验药物一致，不会被受试对象识别。设置安慰剂对照目的在于克服研究者、受试对象、评价者等由于心理因素所形成的偏倚。此外安慰剂对照还可以消除疾病自然进程的影响，从而真正显示试验药物的作用大小。对照的形式2。空白对照：对照组不接受任何处理因素。空白对照可以用于以下两种不适用于安慰剂对照的情况：

(1)处理手段特殊，安慰剂对照无法执行，或执行困难

(2)试验药物的不良反应特殊，无法使受试对象处于盲法状态3。实验对照：对照组不施加处理因素，但施加某种与处理因素有关的实验因素。当处理因素的施加需要伴随其他因素，而这些因素可能影响实验结果时应设立实验对照，以保证组间的均衡性。例赖氨酸添加实验4。自身对照：对照与实验在同一受试对象身上。注意：前后对照不是同期对照。在实验中同样需要另外设立一个对照组，用处理前后效应的差值来比较实验组与对照组。5。标准对照：用现有方法或常规方法，或者现有标准值或参考值作为对照。6。相互对照：不专门设立对照，各实验组间互为对照（研究目的比较疗效差别）。7。潜在对照（历史对照）:由于不同期，缺乏可比，因此仅适用公认难治疾病（恶性肿瘤，艾滋病等）。设立对照时应注意两个问题：同期对照（concurrentcontrol）:在整个实验过程中，对照组和实验组应始终处于同时同地基线（baseline）比较:对照组设立后，应检验（运用适当的假设检验方法）两组开始时的状态是否均衡。二、随机化原则

遵循随机化是采用随机的方式，使每个受试对象都有同等的机会被抽取或分到不同的实验组和对照组。可使样本的代表性较强，提高组间的均衡性，控制非处理因素。随机化是对资料进行统计推断的前提，各种统计分析方法只有在资料满足随机化原则下才能使用。

随机化原则是指做到：①随机抽样：从总体中随机抽取部分观察单位时，总体中的每个观察单位被抽到的可能性一样。②随机分配：样本中的每个观察单位进哪个处理组的机会均等。③实验顺序的随机：每个受试对象先后接受处理的机会相等。1。完全随机化①编号：将n个受试对象编号。②取随机数字：从随机数字表中的任意一行任意一列开始，依次读取随机数字，每次读取的随机数字可以是一位数，也可是二位数或三位数，一般要求与n的位数相同。③确定组别：依据每个受试对象获得的随机数字决定受试对象在哪个组。分两组可按照随机数字的奇偶决定，分k组可按照随机数字除以k后的余数决定小鼠编号12345随机数字1539257099余数00110小鼠编号678910随机数字9386527765序号02122小鼠编号1112131415随机数字1533590528序号00221从随机数字表的第9行第1列开始，依次读取2位作为一个随机数字例：将15只小鼠随机分为3组。规定：余数为0的进甲组，1进乙组，2进丙组甲组：1，2，5，6，11，12；乙组：3，4，8，15；丙组：7，9，10，13，14p832思考：完全随机化的缺点2、分层随机化①配伍（或配对）：将受试对象按条件相同或相近配成区组（或配成对）②编号：分别对每个区组（每对）中的受试对象编号③取随机数字：从随机数字表中的任意一行任意一列开始，依次读取随机数字，每个受试对象可取两位随机数字

④排序：对每个区组内的随机数字从小到大编序号，若遇到数字相同的按出现的先后顺序编号。⑤确定组别：依据每个区组内各受试对象获得的随机数字的序号决定受试对象在哪个组。

例：按随机区组设计，分配15只小鼠接受甲、乙、丙三种抗癌药物区组号12345小鼠编号123456789101112131415随机数字683526009953936128527005483456序号321132321231213从第8行第3列开始规定：序号为1的进甲组；序号为2的进乙组；序号为3的进丙组。

区组12345

甲组：3491214

乙组：2681013

丙组：1571115

实验设计中的重复原则是指在相同条件下进行多次研究或多次观察，以提高实验的可靠性和科学性。从广义上讲，重复包括：

1。整个实验重复

2。用多个受试对象进行重复（个别-普遍；偶然-必然）

3。同一受试对象的重复观察重复的主要作用是控制和估计随机误差三、重复原则

狭义的讲遵循重复原则是指要保证实验重复的次数足够，即保证样本容量足够。所谓“足够”是指不要太少，也不要太多，必须用相应的公式进行估计。如果太多，质量不易控制，而且造成浪费；如果太少，所得的统计指标不稳定，用以推断总体的精密度和准确性差，检验功效低，应有的差别显示不出来，难以获得正确的研究结果，结论也缺乏充分的依据。

样本含量是在保证研究结论具有一定可靠性的前提下，在设计阶段估计出的所需的最少实验单位数。第四节样本含量的估计1。影响样本含量的条件①一类错误（α）：α越小，所需样本含量越大；对于相同的α，双侧比单侧所需样本含量多。②二类错误β或检验效能（1-β）：β越小，样本含量越大。③容许误差（δ）：δ

（μ1-μ2，π1-π2

）越大，样本含量越小。④总体的相关信息：总体的标准差（σ）或总体率（π）。σ越小，样本含量越小；π越接近0.5，样本含量越大。总体指标一般未知，通常以样本作为估计值。（预实验、查阅文献、经验）

使假设检验的结论具有一定可靠性时所必须的样本含量是：按照一定的检验水准(α)发现所比较因素间特定的效应差别为δ，同时又保证检验效能为(1-β)时所需的最少实验单位数。按照α=0.05的水准，发现东北某县和北方农村前囟门闭合月龄平均相差0.2月（14.3-14.1），同时若真的有差别，那么抽100次样，平均有90次能得出有差别（β=0.1）的结论时所需的最少实验单位数。2。样本含量的估计方法（假设检验）①样本均数与已知总体均数比较（配对设计均数比较）公式计算法：查表法：附表16②两样本均数比较公式计算法：查表法：完全随机设计多个样本均数的假设检验重复上述计算，直至n稳定时，即为所求的样本含量(1)(2)每组所需样本含量

某单位拟用4种方法治疗贫血患者，预试验结果为治疗后4组血红蛋白（g/L）增加的均数分别为18，13，16，8，标准差分别为8，7，6，6，设α=0.05，β=0.1，若要得出有差别的结论，问每组需观察多少例？两次计算结果接近，故可认为每组需要观察13例。④样本率与已知总体率的比较公式计算法：查表法：⑤两独立样本率的比较公式计算法：查表法：⑥多个样本率的比较公式计算法：⑦直线相关分析公式计算法：第五节常用实验设计方法一、完全随机设计完全随机设计（completelyrandomizeddesign）,又称简单随机分组设计（simplerandomizeddesign）,是采用完全随机化分组方法将同质的实验单位分配到各处理组，各组分别接受不同的处理。各组样本含量可以相等，称平衡设计（balanceddesign）;也可不等，称非平衡设计（unbalanceddesign）。平衡设计时检验效率高实验单位（样本）实验组对照组完全随机设计①编号：将n个受试对象编号。②取随机数字：从随机数字表中的任意一行任意一列开始，依次读取随机数字，每次读取的随机数字可以是一位数，也可是二位数或三位数，一般要求与n的位数相同。③确定组别：依据每个受试对象获得的随机数字决定受试对象在哪个组。分两组可按照随机数字的奇偶决定，分k组可按照随机数字除以k后的余数决定小鼠编号12345随机数字1539257099余数00110小鼠编号678910随机数字9386527765序号02122小鼠编号1112131415随机数字1533590528序号00221从随机数字表的第9行第1列开始，依次读取2位作为一个随机数字例：将15只小鼠随机分为3组。规定：余数为0的进甲组，1进乙组，2进丙组甲组：1，2，5，6，11，12；乙组：3，4，8，15；丙组：7，9，10，13，14小鼠编号12345随机数字1539257099序号2741115小鼠编号678910随机数字9386527765序号141381210小鼠编号1112131415随机数字1533590528序号369151～5甲组６～１０乙组1１～１5丙组等分二、配对设计配对设计（paireddesign）是将实验单位按照一定条件配成对子，再将每对中的两个实验单位随机分配到不同处理组。配对的因素为可能影响实验结果的主要非处理因素。对子号12345678910ABABABABABABABABABAB随机数字9264875031实验组ABBBBAABAA对照组BAAAABBABB配对设计和完全随机设计相比，其优点在于抽样误差较小、实验效率较高、所需样本含量也较小；其缺点在于当配对条件未能严格控制造成配对失败或配对欠佳时，反而会降低效率。

随机区组设计（randomizedblockdesign）又称配伍组设计，是配对设计的扩展。首先从总体中随机抽样，然后将样本中的所有受试对象，按条件相同或相近配成若干组（随机区组或配伍组），再将每组中的几个受试对象随机分配到不同的处理组中去，这种设计的方法称随机区组设计。三、随机区组设计随机抽样随机分配配成组随机分配完全随机设计随机区组设计2。随机区组设计随机分配的方法①配伍：将受试对象按条件相同或相近配成组②编号：分别对每个区组中的受试对象编号③取随机数字：从随机数字表中的任意一行任意一列开始，依次读取随机数字，每个受试对象可取两位随机数字

④排序：对每个区组内的随机数字从小到大编序号，若遇到数字相同的按出现的先后顺序编号。⑤确定组别：依据每个区组内各受试对象获得的随机数字的序号决定受试对象在哪个组。

例：按随机区组设计，分配15只小鼠接受甲、乙、丙三种抗癌药物区组号12345小鼠编号123456789101112131415随机数字683526009953936128527005483456序号321132321231213从第8行第3列开始规定：序号为1的进甲组；序号为2的进乙组；序号为3的进丙组。

区组12345

甲组：3491214

乙组：2681013

丙组：15711153。随机区组设计的特点：

随机分配的次数要重复多次，每次随机分配都对同一个区组中的受试对象进行各个处理组受试对象数量相同，每个处理组中的受试对象的个数等于配伍组数；每个配伍组中的受试对象个数等于处理组数区组内影响研究结果的因素相同，区组内均衡

随机区组设计的资料在进行统计分析时也需要根据资料的分布特征选择方法，对于正态分布且方差齐的资料，应采用随机区组设计资料的方差分析或配对t检验（g=2）。当不满足方差分析和t检验条件时，可对数据进行变换或采用随机区组设计资料的秩和检验。4。随机区组设计资料的分析方法

又称完全交叉分组实验设计，将两个或多个实验因素的各个水平进行组合，对各种可能的组合都进行实验，从而探讨各实验因素的主效应以及各因素间的交互效应。四、析因设计（factorialdesign）

析因设计中通常用表达式表示不同因素和水平数。当实验有k个因素每个因素都有m个水平时，析因设计用mk表示，如22、32；但也可以有各因素水平不等的情况，如3×5、3×2×2。

在析因试验设计中，最简单的就是2×2（22）析因设计，各因素的各水平均搭配一次，共4种组合，每一种组合就是一种处理。表2×2析因设计模式处理因素A处理因素Bb1b2a1a1b1a1b2a2a2b1a2b2A因素B因素平均b2-b1b1b2a124443420a228524024平均264822a2-a14861。单独效应：其他因素水平固定时，同一因素不同水平的差别2。主效应：某一因素各水平间的平均差别(平均单独效应)。3。交互效应：当某因素的各单独效应随另一因素变化而变化时，称这两个因素间存在交互效应。缝合1月(b1)缝合2月(b2)24445228

析因设计可以安排两个或两个以上处理因素，每个因素至少有2个水平，每个组可以使各因素各水平的一种组合，总处理组数是各因素各水平的全面组合，即各因素数各水平数的乘积。析因设计要求各处理组内的受试对象数相等且每组至少2个受试对象，否则无法分析因素间的交互作用。

析因设计对各因素的不同水平进行组合，分组实验，探讨各因素不同水平的效应及因素间的交互效应，通过比较还能得到最佳组合。但当因素个数较多时析因设计所需处理组数增多，不但统计分析时计算复杂，而且因素间的交互作用解释困难。例9-3某研究人员为了解升白细胞药物(A)和纯苯(B)对大鼠吞噬指数的影响，以及两者同时使用的作用。将20只性别相同、体重相近的大鼠，按A、B两因素有无分为a1b1、a1b2、a2b1、a2b2四组。其中a1表示使用升白细胞药物；a2表示未用升白细胞药物；b1表示用纯苯染毒（表示以0.3mg/kg纯苯给大鼠皮下注射染毒，每周3次，共一个半月。）；b2表示未用纯苯染毒。一、因素及水平升白细胞（A）纯苯（B）用不用用不用a1a2b1b2两因素两水平的2x2析因设计二、分组a1b1a1b2a2b1a2b2升白+纯苯升白纯苯空白1213616717210519320849141811151五、重复测量设计重复测量设计又称重复测量资料，是指对同一实验单位的某项观测指标接受同一处理后，至少在3个及以上时点或部位等进行多次测量所得到的数据。

为研究减肥新药盐酸西布曲明片和盐酸西布曲明胶囊的减肥效果是否不同，以及肥胖患者服药后不同时间的体重随时间的变化情况。采用双盲双模拟随机对照试验，将40名肥胖患者随机等分成两组，一组给予盐酸西布曲明片+模拟盐酸西布曲明胶囊，另一组给予盐酸西布曲明胶囊+模拟盐酸西布曲明片。所有患者每天坚持服药，共服药6个月(24周)，受试期间禁用任何影响体重的药物，而且受试对象行为、饮食及运动与服药前的平衡期均保持一致。分别于平衡期(0周)、服药后的8周、16周、24周测定肥胖患者的体重(kg)得表9-13的资料。受试对象j剂型k服药后测定时间i(周)受试对象j剂型k服药后测定时间i(周)0816240816241184.482.282.283.021264.461.461.862.021105.0100.897.496.622291.088.487.489.63163.862.061.660.423276.076.272.871.64186.285.583.081.824271.072.069.868.45175.673.474.073.025269.466.662.860.86161.260.460.860.226289.987.492.695.57167.866.063.463.627266.863.662.661.68177.273.672.672.028263.461.262.662.09173.272.272.274.629270.067.669.869.4部分数据省略重复测量资料和随机区组设计资料的区别：(1)重复测量资料中同一受试对象(看成区组)的数据高度相关，无论哪位受试对象服用盐酸西布曲明片剂或是胶囊，其服药后8周、16周和24周的体重均和前面时间点(含服药前的0周)的体重相关。(2)重复测量资料中的处理因素在受试对象(看成区组)间为随机分配，但受试对象(看成区组)内的各时间点往往是固定的，不能随机分配；随机区组设计资料中每个区组内的受试对象彼此独立，处理只在区组内随机分配，同一区组内的受试对象接受的处理各不相同。前后比较资料设立对照的前后比较的资料实验设计案例

请根据所学知识，判断以下几个科研的实验设计方案案例一

为了解内毒素对大鼠肌酐含量的影响，研究者随机选择10窝中年大鼠，每窝中取两只雌性大鼠随机的分入甲、乙两组，甲组大鼠不接受任何处理(即空白对照)，乙组中的每只大鼠接受3mg/kg的内毒素。分别测定两组大鼠的肌酐(mg/L)数据。表1各组大鼠肌酐含量(mg/L)窝别编号12345678910甲组6.23.75.82.73.96.16.77.83.86.9乙组8.56.89.39.49.37.35.67.97.28.2案例二

为探讨丹参对肢体缺血再灌注损伤的影响，研究者将30只纯种新西兰试验用大白兔，按窝别相同分为10个区组。每个区组的3只大白兔随机接受三种不同的处理，分别为：松止血带前后给予丹参2ml/kg、丹参1ml/kg、生理盐水2ml/kg，测定松止血带前及松后1小时后血中白蛋白含量(g/L)，算出白蛋白的减少量作为评价指标。表2三种方案处理后大白兔血中白蛋白减少量区组丹参2mg/kg丹参1mg/kg生理盐水12.212.914.2522.322.644.5633.153.674.3341.863.293.8952.562.453.7861.982.744.6272.373.154.7182.883.443.5693.052.613.77103.422.864.23实验数据：案例三

研究者欲研究煤焦油以及作用时间对细胞毒性的作用，煤焦油含量分别为3μg/lm和75μg/lm两个水平，作用时间分别为6小时和8小时。研究者将统一制备的16盒已培养好的细胞随机分为4组，分别接受：煤焦油3μg/lm作用6小时、煤焦油3μg/lm作用8小时、煤焦油75μg/lm作用6小时和煤焦油75μg/lm作用8小时四种不同的处理。测处理液吸光度(%)作为评价指标。实验数据：表3四种不同处理情况下吸光度(%)分组吸光度(%)煤焦油3μg/lm作用6小时0.1630.1990.1840.198煤焦油3μg/lm作用8小时0.1270.1680.1520.150煤焦油75μg/lm作用6小时0.1240.1510.1270.101煤焦油75μg/lm作用8小时0.1010.1920.0790.086案例四

研究者为研究某中学初中不同年级学生周日锻炼时间情况，从该中学初中三个年级中各随机抽取20名学生进行调查，以学生周日锻炼时间(分)作为评价指标。实验数据：表4初中不同年级学生的锻炼时间年级锻炼时间(分)一年级37.85670.79386.92858.78573.92361.43564.13067.16949.09962.72852.53445.23040.40044.39933.09163.46941.70462.26858.20963.319二年级59.16436.65038.51148.94529.36741.98869.41933.10938.87253.40162.81438.45432.80237.68348.94448.86941.92046.85965.06738.403三年级48.77851.05747.60948.42842.81452.30354.32735.59155.01336.08421.30746.41941.83637.48135.78131.35445.19040.92438.87727.259案例五

研究DHA和樟树碱对小鼠学习记忆能力的影响，研究者根据DHA的3种剂量、樟树碱加入与否，共分为6个实验组，每组用小鼠5只。观测结果为Y型放射状迷宫中小鼠逃入安全区所需的时间(潜伏期)。：表5各组小鼠潜伏期（分）组别测定前未给樟树碱测定前给樟树碱对照组104.8±14.4641.15±11.310.1g/kgDHA组116.8±14.3068.45±13.70